来自摩根大通、Quantinuum、阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员在量子计算领域取得了重大进展。在《自然》杂志发表的一篇新论文中，他们描述了如何使用一台56量子比特的量子计算机生成随机数，然后使用强大的经典超级计算机证明这些数字是真正随机的。
这项被称为“认证随机性”的成就可能在密码学、隐私和公平性等领域发挥作用。
经过认证的随机性意味着这些数字不仅不可预测，而且是新生成的，并经过数学验证。传统计算机无法自行做到这一点。它们通常依赖于硬件随机数生成器，而这些生成器很容易被篡改。但有了这种新方法，即使有人试图干扰量子计算机，他们也无法伪造随机性并通过认证。
该协议背后的想法最初是由德克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学教授斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）提出的。他与前博士后研究员洪世汉（Shih-Hang Hung）合作，为实验团队提供支持。“当我在2018年首次提出我的认证随机性协议时，我完全不知道要等多久才能看到它的实验演示，”Aaronson说道。“在原始协议的基础上进行构建并实现它是迈向使用量子计算机为实际加密应用生成认证随机比特的第一步。”
为了进行实验，该团队通过互联网访问了 Quantinuum 的系统模型 H2-1 量子计算机。他们使用了一种名为随机电路采样 (RCS) 的方法，这种方法对于传统计算机来说极其难以模拟。该过程主要分为两个步骤。首先，研究人员向量子计算机发送一系列由一小束随机种子创建的挑战电路。量子计算机必须通过随机从众多可能的答案中选择一个来解答这些挑战。然后，在第二步中，传统超级计算机检查结果以确认随机性的真实性。
该团队使用了几台超级计算机，总性能为每秒 1.1 × 10¹⁸ 次浮点运算（1.1 ExaFLOPS），验证了 71313 位熵。这意味着他们证明了这些随机比特不可能通过经典方法生成，至少在现实条件和假设下不可能。
摩根大通全球技术应用研究主管 Marco Pistoia 表示：“这项工作标志着量子计算的一个重要里程碑，展示了使用超越当今传统超级计算机能力的量子计算机解决现实世界挑战的解决方案。”
Quantinuum 于 2024 年 6 月将其 H2 系统升级至 56 个量子比特。得益于其高精度以及任意量子比特之间相互连接的能力，该系统的 RCS 性能远超之前的机器。此次升级与 Aaronson 的协议相结合，使得这一突破成为可能。
Quantinuum 总裁兼首席执行官 Rajeeb Hazra 博士表示：“今天，我们庆祝一个关键的里程碑，它将量子计算牢牢地带入实际应用领域。”
橡树岭国家实验室量子计算用户项目主任特拉维斯·汉布尔表示：“这些量子计算成果得益于美国能源部位于橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的世界领先的计算设施。”
虽然量子计算机已证明其在理论上可以超越传统计算机，但将这种能力转化为实际应用却一直是一项挑战。这项实验表明，量子计算机现在可以实现一些传统计算机根本无法比拟的实际应用。